Biorheological Microfluidics and Energy Harvesting System

Abstract

태양 에너지는 환경오염 배출이 없는 대표 재생에너지원으로 기존 화석 연료에 대한 실질적인 대체 에너지원이다. 이와 관련하여, 광합성 유기체를 이용하여 빛 에너지를 전기 출력으로 변환하는 생물학적 광전변환 시스템(BPV)이 최근 친환경 기술로 주목받고 있다. 그러나 지금까지 연구된 생물학적 광전변환 시스템은 낮은 효율성에 머물렀다. 본 연구에서는 바이오유변학 지식에 기반한 다양한 생물학적 광전변환 시스템을 설계함으로써 기존 시스템의 한계를 극복하고자 하였다.

생물학적 광전변환 시스템에 대한 예비 연구인 바이오유변학 시스템은 2장과 3장에 기술하였다. 2장에서 광전변환 시스템에 사용할 적절한 세포를 선택하기 위해 체외고분자물질(EPS)을 사용하여 광합성 유기체를 조작하는 방법을 제시하였다. 우리는 광합성 유기체로부터 체외고분자물질을 추출하고 제한된 미세 유체 장치에서 세포 집중과 크기에 따른 분리를 통해 체외고분자물질의 비뉴턴 유변학적 특성을 연구했다. 세포는 '자체 분비된 물질에서 '자가 정렬을 보였으며, 자발적인 분류가 실험적으로 확인되었다. 3장에서 빛에 의한 점도 조작의 새로운 가능성을 제시하는 광합성 유기체의 광 유변학을 소개하였다. 광합성 유/무에 따라 광합성 유기체의 표면 물성 변화를 제타 전위 측정, 임피던스 분석을 통해 확인했으며 결과를 콜로이드 이론에 적용하여 점도와의 연관성을 밝혔다. 광합성은 용액 중 세포의 유효 위상 부피를 증가시켜 분산에 직접적인 영향을 주었고 세포 용액의 점도 증가를 유발하였다.

4장에서는 바이오유변학 지식에 기초한 생물학적 흐름 전지를 설계 및 제작하였다. 이는 지속 가능한 방식으로 광합성 유기체를 사용하여 태양 에너지를 전환하는 새로운 방향을 제시한다. 시아노박테리아의 광합성 활성은 탄산수소 이온을 사용하여 조절하였고, 전기 화학 에너지를 포함하는 세포 현탁액은 유동 시스템을 통해 순환시켰다. 이것은 세포의 신진대사를 조작함으로써 생태 친화적인 에너지 전환 시스템을 구현할 수 있다는 점에서 주목할만하다.

생물학적 광전변환 시스템의 성능을 향상하기 위해 5, 6장에서는 바이오 – 무기 복합체가 도입된 광전변환 시스템을 설계하였다. 5장에서는 높은 발전 성능을 위해 전극에 긴 전자 전달 도관을 생성하고자 Synechococcus sp. – 철 산화물 나노 입자 – 네오디뮴 철 붕소 자석 착물을 설계하였다. 이것은 자체 제작된 전자 전달 통로뿐만 아니라 전자 생산 통로 역할을 하였고 약 1.653%의 효율을 가지며 상용 녹색 LED 전구를 켤 수 있었다. 6장에서는 Synechocystis sp. / 금 나노 입자 (Au NP) / 산화 아연 나노 로드 (ZnO NR) / ITO 로 구성된 광대역을 사용하는 바이오 – 무기 복합체 광전변환 시스템을 제안하였다. 하이브리드 나노 구조 (Au NP / ZnO NR)는 광대역 영역에서 원거리 산란 효과를 통해 세포의 광합성 기작을 자극함으로써 기존보다 약 17.3배 증폭된 변환 성능을 유도하였다.

본 학위 논문에서 수행한 연구들은 생물학적 광전변환 시스템의 새로운 접근 방법을 제안하며 지속 가능한 에너지 하베스팅의 가능성을 제시한다.

Development of renewable energy sources has received much attention in recent years. Natural photosynthesis is a profound source of inspiration for energy conversion and storage systems because it harnesses the most abundant source of energy. Biological photovoltaics (BPV) are living solar cells that generates electric current from the photosynthetic activity of photoautotrophs. However, BPV demonstrated so far have achieved low efficiency. The objective of this dissertation is to overcome the limitations of the BPV by designing various energy harvesting systems based on biorheology knowledge.

Preliminary studies of BPV, the biorheological systems, are presented in chapter 2 and 3. In chapter 2, manipulation of photosynthetic organisms in a microfluidic device using extracellular polymeric substances (EPS) is remarked in order to select proper cells for energy harvesting. We extracted EPS from photosynthetic organisms and explored the non-Newtonian rheological behavior of EPS with the help of cell focusing and separation in confined microchannels. It was found that the cell showed a self-ordering behavior in the self-secreted substances. Moreover, autonomous cell-sorting was demonstrated.

In chapter 3, a new phenomenon, optorheology of photosynthetic bacterium suspended liquid operated by light was reported. It was revealed that the change in the rheological feature of the cell suspension was induced by the generated electrons. The results showed that the photoelectrons generated by light enhanced the dispersion of the cyanobacteria in the solution, thus leading to a significant increment in the viscosity. For further understanding on this phenomenon, numerical simulation was carried out using finite element method. Overall, we reported that the rheological properties of the living cell suspension can be controlled by using light, which is a new area of rheology.

Based on the biorheology knowledge, the cyanobacterial flow battery (CFB) is reported in chapter 4, which provides a new direction for harvesting solar energy by using photosynthetic organisms in a sustainable manner. Developed CFB facilitates one species of photosynthetic organism having different concentrations of bicarbonate ions in the anode and cathode chambers without any mediator or metal. The cell is responsible for electron generation at the anode while the cell successfully acts as a terminal electron acceptor at the cathode. That is, both light and dark reactions of the photosynthesis are simultaneously utilized in this battery. The flow dependent performance of the device was evaluated by changing fluid flow conditions. When the cell solution is infused at 0.05 ml/min, the effective electron transfer to the electrode is observed, and 4.8 times higher power density is obtained than the case of the batch mode. For in depth understanding, the oxygen concentration in the cathode chamber is modeled using a finite element method. It is noteworthy that the eco-friendly energy conversion system was implemented by manipulating a metabolism of the cell.

Moreover, the bioinorganic hybrid systems were introduced to enhance the performance of BPV (chapter 5 and 6). In chapter 5, Synechococcus sp. – iron oxide nanoparticle – neodymium iron boride magnet complexes are designed to enable high performance via a long electron transfer conduit to the electrode. In the system, nanomaterials can convert light into electricity and transfer the photosynthetic electrons from the photosynthetic cells to external electrode. That is, bioinorganic hybrid system provides synergistic combination of a natural photocatalyst and an artificial photocatalyst that leads to a high performance by forming effective electron transfer conduits to the electrode in a very short time. A conventional green LED bulb was turned on as the result of the energy harvesting. The approach introduced in this study can boost solar energy harvesting remarkably by combining natural photocatalysts with artificial ones.

In chapter 6, a novel broadband multiplex living solar cell consisting of Synechocystis sp. / Gold nanoparticle (Au NP) / Zinc oxide nanorod (ZnO NR) / ITO is developed. The hybrid nanostructure (Au NP / ZnO NR) acts as a stimulant for the photoactivity of the cell through the far-field scattering effect in the broadband region, leading to an anomalous enhanced bioinorganic photovoltaic cell. We obtained the peak power density of 6.148 mW/m2 for the multiplex living solar cell, whereas Synechocystis sp. onto ITO electrode generated the peak power density of about 0.353 mW/m2 only during the light irradiation. The power density is eventually increased by about 17.3-fold. The far-field scattering effects were verified by performing 3D numerical analysis of electromagnetic field. We envision that it provides a potential for enhanced performance of biophotovoltaics on conversion solar energy.